Влияние светового шума на погрешность оценки уровня фракционной сатурации крови многоволновым пульсовым оксиметром

В связи с развитием современных оптоэлектронных технологий и их внедрением в различные отрасли медицины актуально обеспечение эффективного функционирования устройств неинвазивной спектрофотометрической диагностики физиологических показателей в условиях влияния таких специфических внешних факторов, как световой шум естественных и искусственных источников света. Представлена математическая модель светового шума фиксированной частоты и показано, что такой шум по отношению к полезному фотоплетизмографическому сигналу канала пульсового оксиметра является аддитивной помехой. Показано, что при использовании фотоплетизмографических методов исследования параметров кислородного статуса интенсивность прошедшего сквозь биологическую ткань оптического излучения зависит от уровня насыщения артериальной крови кислородом. Разработана математическая модель фотоплетизмографического сигнала, позволяющая учитывать параметры пульсовой волны – частоты первой и второй гармоник артериальной пульсации крови, дыхательных сокращений. Уровень светового шума нормирован к уровню фотоплетизмографического сигнала с использованием отношения сигнал/шум. Установлено, что при отношении сигнал/шум, равном 10; 5; 1, соотношения постоянной и переменной составляющих фотоплетизмографического сигнала изменяются в среднем на 6,7; 11,4; 15,7 % соответственно по сравнению с отсутствием аддитивной помехи. Исследовано влияние светового шума различного уровня на оценку уровня фракционной сатурации крови и установлено, что при отношении сигнал/шум, равном 10; 5; 1, относительная погрешность данной оценки составляет соответственно 3,676; 6,115; 8,077 %. Проведён физический эксперимент с участием 30 испытуемых по определению влияния засветки на оценку уровня фракционной сатурации крови многоволновым пульсовым оксиметром. Экспериментальные данные подтвердили результаты модельных исследований для отношений сигнал/шум, равных 10 и 5. Полученные результаты можно использовать при проектировании и разработке устройств неинвазивной спектрофотометрической диагностики с целью повышения эффективности их функционирования в условиях дестабилизирующих факторов.

1. Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Ай Пи Ар Медиа, Москва (2021).

2. Глазков А. А., Лапитан Д. Г., Макаров В. В., Рогаткин Д. А. Оптический неинвазивный автоматизированный прибор для исследования центральной и периферической гемодинамики. Физические основы приборостроения, 10(4(42)), 28–36 (2021). https://doi.org/10.25210/jfop-2104-028036

3. Гузенко М. М., Мазинг М. С., Зайцева А. Ю. Применение методов оптического анализа для неинвазивного контроля уровня оксигенации крови. Биофизика, (68(2)), 389–395 (2023). https://doi.org/10.31857/S0006302923020199

4. Сафонова Л. П., Дмитриев А. Н., Ширяева В. С., Кулешов Д. Ю. Контроль когнитивных функций методами спектрофотометрии и вызванных потенциалов. Биомедицинская радиоэлектроника, (25(6)), 5–17 (2022). https://doi.org/10.18127/j15604136-202206-01

5. Гаранин А. А., Дьячков В. А., Рубаненко А. О. и др. Методы пульсоксиметрии: возможности и ограничения. Российский кардиологический журнал, (28(S3)), 54–67 (2023). https://doi.org/10.15829/1560-4071-2023-5467 ; https://elibrary.ru/LWXJYA

6. Коптев Д. С., Юдин И. С. Оценка фракционной сатурации крови у пилота воздушного судна в условиях влияния динамических полётных факторов. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение, 12(2), 98–120 (2022). https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-2-98-120 ; https://www.elibrary.ru/adlygw

7. Хизбуллин Р. Н. Принципы построения трёхволнового двухканального лазерного пульсоксиметра. Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль, (2), 90–100 (2022). https://doi.org/10.21685/2307-5538-2022-2-11

8. Aoyagi T., Masayoshi F., Kobayashi N. et al. Multiwavelength Pulse Oximetry: Theory for the Future. Anesthesia and analgesia, 105(6), 53–58 (2008). https://doi.org/10.1213/01.ane.0000268716.07255.2b

9. Roth D., Herkner H., Schreibe r W. et al. Accuracy of noninvasive multiwave pulse oximetry compared with Carboxyhemoglobin from blood gas analysis in unselected Emergency Department Patients. Annals of Emergency Medicine, 58(1), 74–79 (2011).

10. Коптев Д. С. Математическая модель и устройство неинвазивной диагностики уровня фракционной сатурации крови. Измерительная техника, 73(8), 13–21 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-8-13-21 ; https://elibrary.ru/ahzjiq

11. Коптев Д. С. Сравнение точностных характеристик двухволновой и четырёхволновой моделей при оценке уровня сатурации крови пилота в условиях влияния внешних дестабилизирующих полётных факторов. Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции, Курск, Юго-Западный государственный университет, с. 260– 275 (2022). https://www.elibrary.ru/dpvupp

12. Федотов А. А. Устройство помехоустойчивой регистрации артериальной пульсации крови. Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии (ФРЭМЭ-2020). Труды XIV Международной научной конференции с научной молодёжной школой им. И. Н. Спиридонова, Владимир – Суздаль, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, кн. 2, с. 115–118 (2020). https://www.elibrary.ru/gfkptl

13. Петренко П. Б. Методические рекомендации по созданию сенсорных измерительных систем мониторинга частоты дыхания на основе обработки фотоплетизмографических сигналов. Сенсорные системы, (38(3)), 82–94 (2024). https:// doi.org/10.31857/S0235009224030057 ; https://elibrary.ru/brxsed

14. Рогаткин Д. А. Физические основы оптической оксиметрии. Медицинская физика, (2), 97–114 (2012). https://elibrary.ru/ozlxtr

15. Федотов А. А. Помехоустойчивость методик контурного анализа пульсовой волны. Измерительная техника, (3), 64–67 (2019). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-3-64-67 ; https://elibrary.ru/vyoucb

16. Лебединский К. М., Мазурок В. А., Матус К. М. Пульсовый оксиметр с логарифмическим фотоприёмником. Медицинская техника, (4(262)), 25–30 (2010). https://elibrary.ru/nycpob

17. Коптев Д. С. Влияние общей вибрации на качество оценки физиологических показателей пилота. Измерительная техника, 73(9), 61–69 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-9-61-69 ; https://elibrary.ru/forgjo

18. Мухин И. Е., Селезнев С. Л., Коптев Д. С. Цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна: патент RU 2766756 С1. Изобретения. Полезные модели, № 8 (2022).